恒阻大变形锚杆支护技术的应用研究

郭舒铭

（山西焦煤集团官地矿， 山西 太原 030024）

引言

巷道的支护质量和效果是保证煤矿安全生产的前提，目前应用于工作面常规的支护方式为锚杆支护。随着煤层开采深度的不断增加，工作面地质环境不断恶化，所承受的应力不断增加，从而导致深部煤炭开采事故的频繁发生，主要变现为顶板来压、瓦斯突出、顶板下沉以及两帮收缩等[1]。经分析，导致深部煤炭开采事故发生的根本原因在于支护效果不佳。为此，针对深部煤炭采用恒阻大变形锚杆进行支护。本文着重对恒阻大变形锚杆支护的工程应用进行研究。

1 工程概况

本文所研究煤矿的生产能力为300万t/年，工作面煤层倾角范围为2°～6°。采用竖井分水平的开采方式，且各个工作面采用综放一次全采高的采煤方式。本文所研究煤矿某个工作面的顶底板情况如表1所示。

经探测可知，矿井不同工作面的涌水量不同，其中最大涌水量为379 m3/h，最小涌水量为29.71 m3/h。该煤矿地应力的最大应力平均值为34.04 MPa，最大主应力的方位角为100.38°，最大主应力的倾角为20.53°；垂向平均地应力为25.04 MPa。

表1 工作面顶底板情况

2 支护现状研究

2.1 原支护参数分析

该煤矿原先所采用的支护方式为锚杆锚索锚网的联合支护。其中，所采用锚杆的规格尺寸为Φ20 mm×2 400 mm，锚杆类型为无纵筋螺纹钢锚杆，并呈现矩形排列；所采用金属网的网格规格尺寸为100 mm×100 mm，金属网的整体尺寸为1 500 mm×1 100 mm；所采用锚索的规格尺寸为Φ17.8 mm×4 200 mm。煤矿支护的详细参数如图1所示。

图1 原支护详细参数（单位：mm）

2.2 原支护方案存在的问题

经实践表明，在原支护参数的支护方案下，煤矿巷道发生了严重的变形并导致支护材料的失效，具体表现为：锚索被剪短、锚杆右帮被压剪破坏[2]。总的来说，巷道的开裂位置主要集中于工作面的拱部，并导致拱部两肩被挤压、被压断，从而使得巷道出现大面积的变形破坏。

经对巷道工程破坏现象及特征进行总结分析，导致工作面大面积被变形破坏的主要原因为：该煤矿的地质条件复杂，其围岩赋存的深度大，对应的地应力水平高；岩体强度较低；岩体的膨胀性较高等[3]。支护参数不合理，该煤矿属于深部开采煤矿，基于普通锚杆、锚索的支护材料对其支护效果不佳，且支护参数的设计思路已不适用。

3 恒阻大变形锚杆支护的应用

3.1 恒阻大变形锚杆支护机理

鉴于恒阻大变形稳定性的控制理念能够解决普通锚杆支护下的延伸率低、巷道围岩变形大的问题，针对深部煤矿的支护采用恒阻大变形锚杆增强其支护效果和质量[4]。基于恒阻大变形锚杆支护具有如下效果：恒阻大变形锚杆适用于巷道大变形的特征；当工作面巷道发生较大的变形时，恒阻大变形锚杆可为巷道提供大于110 kN的恒定工作阻力，且在恒阻力支护工况下该型锚杆的最大变形为1 000 mm，最小变形量为300 mm；恒阻大变形锚杆具有可回收利用的优势。

鉴于恒阻大变形锚杆的特殊性，常通过工作面巷道的恒阻力、极限变形量以及恒阻锚杆的长度进行选型。

3.2 恒阻大变形锚杆支护设计

根据该煤矿原支护参数及其支护问题进行分析，针对该煤矿深度煤炭的开采采用恒阻大变形锚杆（3 m）+金属网+钢带+恒阻大变形锚索（8 m）+底角注浆锚管耦合的联合支护方案。

1）锚杆支护设计：所选型恒阻大变形锚杆的具体型号为HMG-500，锚杆直径为22 mm，长度为3 000 mm，每排锚杆的间距为1 000 mm，每排锚杆的间距为1 000 mm，并为锚杆固定选用特制的锚固剂进行固定。

2）锚索支护设计：所选型恒阻大变形锚索直径为22 mm，长度为8 000 mm，每排锚索的间距为1 000 mm，每排锚索的间距为1 000 mm。

3）锚管支护设计：所选锚管为无缝钢管，直径为48 mm，锚管长度为3 000 mm，锚管的间距为500 mm，每排锚管的间距为500 mm。恒阻大变形锚杆的支护效果图如图2所示。

3.3 恒阻大变形锚杆支护效果验证

为验证恒阻大变形锚杆支护的效果，将上述支护方案应用于煤矿实际巷道支护中，并选取50 m长的试验段对支护效果及质量进行监测，分别对工作面巷道两帮的收缩量、底板的下沉量以及底鼓量进行监测，监测周期为120 d[5]。监测结果如图3所示。

如图3所示，随着时间的推移工作面巷道两帮收缩量、顶板下沉量以及底臌量不断增加。其中，巷道两帮收缩量在监测80 d左右处于稳定状态，且两帮的收缩量最终稳定在80 mm左右；顶板下沉量在监测90 d左右处于稳定状态，且顶板的下沉量最终稳定在30 mm左右；底鼓量在监测82 d左右处于稳定状态，且底臌量最终稳定在40 mm。

与传统支护方案下的支护效果相对比：在原支护方案下两帮最终的收缩量为370 mm左右；顶板下沉量最终稳定于100 mm左右；底臌量最终稳定于150 mm。

综上所述，采用恒阻大变形锚杆支护后工作面巷道顶板、底板以及两帮的变形量均得到有效控制，即验证了恒阻大变形锚杆支护在深部煤炭开采工作面的支护效果优于传统锚杆支护方案。

图3 恒阻大变形锚杆支护监测结果

4 结论

1）针对深部煤炭开采选用恒阻大变形锚杆的型号HMG-500，并为其配置匹配的锚索、锚管等支护材料；

2）恒阻大变形锚杆支护下巷道工作面的顶板、底板以及两帮的变形量均得到有效控制。其中，顶板变形量由100 mm控制在30 mm；底板变形量由150 mm控制在40 mm；两帮变形量由370 mm控制在80 mm。